浅论某超高层结构设计

1、浅论某超高层结构设计单位北京炎黄联合国际工程设计有限公司姓名潘龙贻 邮编100081摘要:以下本文结合工程实际，对超高层建筑的结构设计进行计算分析，并论述了有关抗 震构造的加强捲施，可为同类设计提供参考关键词:框架一核心筒结构体系；超高层；抗震性能分析；动力弹赠性时程分析1工程概况木工程为一幢超高层综合写字楼（图1）。主楼结构平面尺寸为34. 6 x 34. 6 （ m）,核 心筒尺寸为12.6x15. 1（ m）。主楼地下5层（高20. 4 m），地上47层（结构出地面高度 179. 6 m）,其中裙房共7层（高34.5m）。除避难层层高为3. 9 m夕卜，其余标准层层高 均为3.4m。抗震

2、设防烈度为6度,基木地震加速度为0. 05 g,设计地震分组为第一纽， 建筑抗震设防类别为丙类。结构抗震等级为二级。主楼基本风压按100年重现期风压值0. 45 kpa考虑，地|衍粗糙度为b类。图1建筑效果图2结构抗震超限情况及性能设计目标本工程为高度超限的高层结构。设计时采用两阶段的抗震设计并采取相应的抗震构造措施来满足三个水准的要求，抗展设计在满足国家及地方规范的基础上，根据性能化抗震设计 方法进行设计，并采取表1的性能控制冃标。表1结构构件抗農性能冃标地悠水准多遇地鳶设防地说罕遇地怠性能标完好轻微损坏中等破坏最大层间位移角1 /6801/3401/170构 件 性 能 设 计 指核心筒墙

3、体弹性i v<iiii承载力不屈服受剪承载力保持弹性部分墙体止截而承 载力屈服所有墙 休均满足截而控制 条件核心筒连梁弹性个别连梁止截而 承裁力屈服，所有 连梁受剪承载力均不屈服部分连梁屈服外围框架柱弹性弹性止截而承栽力不屈 服受剪承载力保 持弹性外围框架梁弹性弹性部分楼而梁屈服筒柱间框架梁弹性弹性部分楼而梁屈服3结构抗震性能计算分析分别进行结构在多遇地震，设防地震及罕遇地震作用情况下分析。3. 1多遇地震下结构性能分析3. 1. 1多遇地震下振型分解反应谱法计算分析釆用扭转欧联振型分解反应谱法对结构进行多遇地震作用下弹性分析，在强制刚性楼板 假定条件下采用stawe, etabs及mi

4、das 一 building进行对比计算分析，控制结构 的位移比、位移角、周期比、刚度比，抗倾覆及整体稳定等指标。上述不同力学模型计算结 果表明，主要控制指标结果相近，未出现异常。表23为周期及位移角计算结果比较。表2结构周期及振型staweetabsmidas-inill）in（；周期4）扭转系数周期（s）扭转系数周期3扭转系数tl （y 向）4.764404. 7909704.45100.01t2（x 向）4.443204. 3944404. 13560.0213（扭转）2.76220. 982. s629o0. 992.32140.99t3/t10. 58（）0. 5970.521表3风

5、和地震作用所得层间位移角satweetabsm1das4rh1）in（；层间位移角发生楼层层间位移角发生楼层层间位移角发生楼层最大层间 位移角x向地震1/2055281/2144251/238327y向地震1/2161341/2051261/261129x向风1/1s63281 /1806221/236922y向风1/2119281/2147221/1751253.1.2多遇地震下弹性动力时程分析根据拟建场地特性选取了 2组天然地震波，1组人工波作为吋程分析的输入。3组地 震波的反应谱与抗规标准地震反应谱的基本吻合，结构前三周期点上地震波反应谱的平 均值与抗规标准地震反应谱相差均在20%以内。

6、多遇地震弹性时程分析所得结构底部 剪力峰值与按照抗规振型分解反应谱法进行分析所得的底部剪力的对比情况，可见单组 地震波输入所得的底部剪力峰值均在抗规振型分解反应谱法（cqc）的65135% z 间，3组地震波结果的平均值与抗规振型分解反应谱法（cqc）结果之差在20%以内。 满足高规耍求。表4时程分析底部剪力与cqc反应谱法对比工况n1n2a1三组地震波¥均值安评反应沽a底部剪力x向79177781761s77728176山）y向76937254748374778186与cqcx向0. 970. 950.930. 95翦力z比y向0. 940. 890.910. 91多遇地震时程分析

7、时地震波主分量峰值统一取为18cm/s3组地震波时程结果的平均 值与cqc法的结果吻合较好，单组地震波计算所得的结构底部剪力峰值的最小值达到了 反应谱法底部剪力的89%o x主向时3组地震波时程计算所得的结构最人层间位移角包 络值为1/2034, y主向吋该值为1/2012,均小于按照规范规定计算所得限值1 /680。多遇 地震作用下结构、构件的设计均取时程分析和反应谱方法的较大值，对反应谱方法的计算结 果采川相应楼层地震力放大的方法來调整楼层地震剪力。最终计算结果均能满足规范要求。 3. 2设防地震下结构性能分析3. 2. 1设防地震下振型分解反应谱法计算分析采用中国建筑科学研究院研制的多层

8、及髙层建筑结构空间有限元分析与设计软件 satwe进行结构的中震弹性和中震不屈服设计。场地特性参考抗规规定取值，场地特 征周期为0. 35 s,水平地震影响系数最大值取为0.12（对应于5%阻尼比）。（1）位移分析。设防地震反应谱分析得到的结构两个主向的层间位移和x向最人层间位移 角为1/673,位于第34层；y向最人层间位移角为1 /720,位于第34层，均小于性能目 标设定的设防地震下层间位移角限值1/340。（2）承载力分析。1）设防地震作用下2号楼核心筒剪力墙按照正截面承载力不屈服进行设计，其受剪承 载力满足下式要求：ygsge+ yehs*ekh< &i/ yre（1）

9、式中,yg和 沁分别为重力荷载代表值和水平地震作用地震作用效应的分项系数;yre 为抗震承载力调整系数；sge和s*ekh分别为重力荷载代表值效应和未经调整的水平地震作 用标准值效应;rd为承载力设计值。计算表明，2号楼结构核心筒剪力墙均能满足性能目标 的要求。2）设防地震作用下松架柱按弹性设计。分析表明，所有框架柱均能满足式（1）的要求。3）设防地震作用卜-框架梁按正截而承载力不屈服进行设计。4）验算表明，钢筋混凝土连梁受剪承载力均满足下式，达到性能冃标要求：sge+ s*ekhw rk（2）式小，rk为按照材料强度标准值计算的截面受剪承载力，其余符号同式（1） o3. 2. 2设防地震下非

10、线性动力弹塑性计算分析计算程序为中国建筑科学研究院研制的epda结构动力弹塑性分析程序。梁、柱等构 件采川纤维束模型模拟其弹塑性性质，剪力墙则采川非线性壳单元模拟。设防地震下的结构 非线性时程分析采用2组天然地震波和1组人工波共3组地震波作为输入。地震波水平 主分量的加速度峰值按照抗规的规定调整为0. 05g,水平次方向的加速度峰值调整为 0. 0425go结构阻尼比仍取为0. 05o鉴于目而地震工程学科的研究尚存诸多课题有待解决, 以及适宜的地震动加速度记录较少，处理非线性时程分析位移结呆吋仍需参考多遇地震的弹 性反应谱分析结果。具体做法是：将弹塑性分析得到的结构某部位在某地震波f的弹塑性位

11、 移与该部位在该地震加速度记录下的多遇地震位移z比作为弹塑性位移放大系数；多组地 震波的弹册性位移放人系数包络值与结构弹性反应谱方法得到的该部位位移之积作为其结 构弹塑性位移。本报告小对设防地震和罕遇地震非线性吋程分析所得结构位移结果均采用这 处理方法。设防地震作用下的弹塑性层间位移角x主向和y主向时最大层间位移角分别为 1/453（第27层）和1/563（第28层），分别为规范弹性层间位移角限值的1. 50倍和1. 21倍，均小于设防地震水准下结构性能日标所定位移角限值1/340 o设防地震作用下各组地震波x向底部剪力峰值与相应多遇地震水准时底部剪力峰值z比 的平均值为2. 04, y向为2

12、. 13o设防地震和多遇地震的主分量加速度峰值之比为2. 72o x主向和y主向设防地震作用卜结构底部剪力峰值与相应的多遇地震作用卜结构底部剪 力峰值z比均小于加速度峰值之比，表明结构在设防地震作川下部分连梁出现塑性钱后，结 构刚度冇所下降,结构部分耗能机制已经形成，吸收的地震作用较相应的弹性结构侑所减小。 3.3罕遇地震下结构性能分析罕遇地啓作用下结构的层间位移角计算方法同设防地展时的情况，即以各组地震波罕遇 水准输入得到的结果与相应多遇地震输入结果的比值的包络值和多遇地震弹性反应谱分析 的结果的乘积作为罕遇地震下的结构反应。结构罕遇地震下x向和y向最大层间位移角 出现在27层，达到1 /1

13、89; y向最人楼层层间位移和为1 /207（ 28层）。罕遇地震下最人 层间位移角均小于罕遇地震水准时结构性能目标所定限值l/170o各组地震波x向底部剪力峰值与相应多遇地震水准时底部剪力峰值之比的平均值为 3.48, y向为3.83。罕遇地震和多遇地震的主分量加速度峰值z比为6.94。x主向和 y主向罕遇地震作用下结构底部剪力峰值与相应的多遇地震作用下结构底部剪力峰值z比 均明显小于加速度峰值z比，表明结构在罕遇地震作用下塑性发展程度较为显著，结构刚度 下降较多，地震输入能量大多被进入塑性阶段的构件耗散。（1）为提高结构核心筒剪力墙在罕遇地震下的抗剪能力。各片剪力墙的承担的剪力值均 偏于安

14、全地采川罕遇地震弹性反应谱分析的结果；剪力墙的截面控制条件采川下式：vge+v*ek<0. 15pcubh0（3）式中，vge和 vk分别为重力荷载代表值和地震作用标准值产牛的构件剪力，卩c为混 凝土强度影响系数，f；k为混凝土强度标准值，b和h。分别为构件截面宽度和有效高度。验 算表明，所冇剪力墙均能满足式(3)的要求。(2)罕遇地震下混凝土框架柱正截面承载力满足公式(2),斜截面承载力满足公式(1)。均达到了性能目标的要求。外框架的人部分梁已经进入屈服阶段。满足性能目标的要 求。(3) 罕遇地震下部分钢筋混凝土连梁已屈服。经验算，其抗剪能力满足下式的要求:ro. 20仗几叭,跨高比大于2. 5时；(0.150人必，跨高比不大于2. 5时。(4)式中符号意义同公式(3) o罕遇地震下连梁不会发生剪切控制型的破坏，保证了连梁良好的受弯耗能能力，达到性能目标的要求。4抗震措就及抗震性能分析结论针对本结构高度超限，采取比规范更严格的抗震措就, 对于框架柱采取以下捲施:框架剪力进行了高于规范水准的调整，保证了结构二道防线的 实现;剪力调整取m